Gravitationswellen sind Wellen in der Raumzeit – in „Zeit und Raum“. Man kann sich das vorstellen, wie bei elektromagnetischen Wellen (Licht, Radio, Gammstrahlen etc.): Wenn ein Elektron beschleunigt wird, strahlt es elektromagnetische Wellen ab. In einer Antenne passiert das. Gravitationswellen entstehen, wenn Massen beschleunigt werden. Es müssen große Massen sein, die beschleunigt werden, damit Gravitationswellen messbar werden, zum Beispiel, wenn Schwarze Löcher kollidieren (zusammenstoßen). Es geht bei diesem Thema auch um die Frage, ob die Gravitation im ganzen Universum „sofort“ spürbar ist, oder ob sie sich ausbreitet, so wie das Licht. Letzteres ist der Fall.
Kategorie: Physiknobelpreise
-
Neutrinooszillationen (Kajita/McDonald)
Neutrinos sind Elementarteilchen, elektrisch neutral, mit sehr geringer Masse. Sie entstehen bei Umwandlungen von Elementarteilchen, zum Beispiel beim radioaktiven Zerfall (beim Beta-Zerfall). Diese Teilchen sind wichtig, weil die Gesamtbilanz von Erhaltungsgrößen nicht stimmen würde. Man kann sich das so vorstellen wie bei einer Schachtel Süßigkeiten. Wenn immer die Gummibärlis fehlen, sie aber niemand im Raum gegessen hat, muss es „etwas“ geben, das sie gegessen hat. Auch wenn man dieses „Etwas“ nicht wahrnimmt. Bei den Neutrinos ist es ähnlich, die Wahrnehmung wäre durch die „schwache Wechselwirkung“ möglich. Große Detektoranlagen können Neutrinos wahrnehmen/messen. Es gibt verschiedene Arten von Neutrinos – und Neutrinos können ihre Art wechseln, das wird „Neutrinooszillation“ genannt.
-
Higgs-Teilchen (Englert/Higgs)
Das Higgs-Teilchen ist ein Elementarteilchen, nach dem lange gesucht wurde. Bei Experimenten in einem Elementarteilchenbeschleuniger (CERN) wurde es gefunden. Man sagt: Higgs-Teilchen sind Elementarteilchen, die der Materie Masse verleihen. Das ist eine recht schnelle Formulierung. Warum war es schwierig, das Higgs-Teilchen zu finden? Es sind bei den Experimenten hohe Energien nötig, das Higgs-Teilchen zerfällt rasch, und man kann es nicht einfach so „sehen“, man kann es finden, indem man Daten statistisch analysiert.
-
Beschleunigte Expansion des Universums (Perlmutter/Schmidt/Riess)
Das Universum ist im Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren entstanden. Seither dehnt es sich aus. Die Geschwindigkeit dieser Ausdehnung nimmt aber zu. Man spricht von der „beschleunigten Expansion des Universums“. Das Ganze muss man natürlich erklären. Dazu wurde das Konzept „Dunkle Energie“ eingeführt. Wenn es diese „dunkle Energie“ gibt, dann stimmt die Beobachtung mit der Theorie überein. Dafür gab es 2011 den Physik-Nobelpreis für die Astrophysiker Perlmutter, Schmidt und Riess.
Hier stehen die Details sehr schön beschrieben: https://www.weltderphysik.de/gebiet/universum/news/2011/nobelpreis-fuer-physik-2011-geht-an-perlmutter-schmidt-und-riess/
-
Graphen (Geim/Novoselov)
Kohlenstoff. Dieses Element kann in zwei bekannten Erscheinungsformen vorkommen: als Graphit (schwarz, weich) und als Diamant (hart, durchsichtig). Es gibt aber auch noch eine dritte Erscheinungsform – Graphen. In Schichten. Für grundlegende Forschung dazu haben Andre Geim und Konstantin Novoselov 2010 den Physik-Nobelpreis erhalten.
Hier gibt es einen guten Übersichtsartikel dazu: https://www.weltderphysik.de/gebiet/materie/news/2010/physik-nobelpreis-an-andre-geim-und-konstantin-novoselov-fuer-die-arbeit-zu-graphen/
-
Bose-Einstein-Kondensat (Kettele/Cornell/Wiemann)
Normalerweise können wir Teilchen unterscheiden, auch wenn sie gleich aussehen. Wir könnten sie nummerieren, weil wir sie unterscheiden können. Diese Teilchen bilden sogenannte Aggregatszustände: wir kennen alle „flüssig“, „fest“, „gasförmig“, es gibt aber noch andere. Das Bose-Einstein-Kondensat ist nun ein spezieller Aggregatszustand, in dem die beteiligten Teilchen ununterscheidbar sind, weil sie alle die gleichen Merkmale haben, wir sprechen von „gleichen quantenphysikalischen Zuständen“.
-
Quantenelektrodynamik (Feynman)
Die Quantenelektrodynamik beschäftigt sich mit den Phänomen von Elektronen, Positronen und Photonen. Und sie beschäftigt sich mit der elektromagnetischen Kraft. Sie ist eingebettet in den Versuch, Teilchen und Kräfte des Universums zu „ordnen“, sprich: zu verstehen. Der US Physiker Werner Feynman hat wesentlich am Konzept der Quantenelektroynamik gearbeitet.
-
Pauliprinzip (Pauli)
Können Teilchen am selben Platz sein? Normalerweise nicht. Außer bei Elementarteilchen. Zum Beispiel bei Elektronen im Atom. Man kann sich vorstellen, dass sie in Orbitalen (Aufenthaltsräumen) organisiert sind. Interessanterweise dürfen zwei Elektronen im selben Orbital sein, wenn sie sich in einer Quantenzahl – dem Spin – unterscheiden. Der hat zwei Möglichkeiten: Spin up, Spin down – und diese zwei Elektronen sind dann „am selben Platz“.
-
Entdeckung des Positrons (Anderson)
Das Positron ist das Antiteilchen zum Elektron. Wenn es auf ein Elektron trifft, findet die sogenannte „Paarvernichtung“ statt – die beiden löschen sich aus – sie wandeln sich in Energie um. Umgekehrt kann aus Energie ein Positron-Elektron Pärchen entstehen. Positronen sind bei radioaktiven Zerfällen zu finden – das wird auch in der Medizin bei bildgebenden Verfahren ausgenutzt. Positronen entstehen auch bei Stoßprozessen (Wechselwirkung), zum Beispiel dort, wo kosmische Strahlung auf die Atomsphäre der Erde trifft. Der US-Physiker Carl David Anderson hat das Positron erstmals in einer Nebelkammer nachgewiesen, es wurde zuvor von Dirac „postuliert“, das heißt, vorhergesagt.
-
Weiterentwicklung der Quantenphysik (Schrödinger)
Vielleicht erzählt man hier die Geschichte von „Schrödingers Katze“. Ein Gedankenexperiment. Kein Tier kommt zu Schaden.
Eine Katze wird in eine Kiste gesetzt, nach einer Stunde – so weiß man – ist sie mit der Wahrscheinlichkeit 50:50 tot. Wir würden sagen. Sobald wir den Deckel öffnen, sehen wir, ob sie irgendwann gestorben ist. Wir sehen sie lebendig oder tot.
Schrödinger sagt: Bis zum Moment des Öffnens ist die Katze in einem überlagerten Zustand. Im Moment des Öffnens wird der Zustand festgelegt. Sie ist entweder lebendig oder tot.
Das ist die Kurzfassung. Schrödinger erklärte mit diesem Gedankenexperiment das Doppelspaltexperiment. Licht geht durch zwei Löcher gleichzeitig, solange man nicht hinschaut. Man sieht das an einem Interfernzmuster auf der anderen Seite. (Licht ist eine Welle – das muss man daraus schließen). Wenn man aber hinschaut, geht das Licht durch das eine oder durch das andere Loch (das sieht man wieder auf der anderen Seite. (Licht besteht aus Teilchen, das muss man daraus schließen).
Was nun? Eine große Erkenntnis in der Physik: Licht ist beides. Welle und Teilchen zugleich.
Die Quantenphysik ist eigentlich eine formal sehr anspruchsvolle Beschreibung der Welt. Diese Geschichten mit Katzen und Löchern sind Versuche, das Ganze in der Beschreibung, und in Experimenten zu zeigen bzw. verständlich zu machen. Die „Schrödingergleichung“ ist so eine mathematische Beschreibung in der Quantenphysik. Sie ist mathematisch anspruchsvoll. Man wird sie aus Entfernung nicht leicht verstehen, man kann sie sich aber erklären lassen bzw. lernen, was sie beutet.